Avaliação e Reabilitação Sísmicas de Edifícios de Betão Armado (Preview)

Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado RICARDO COSTA PAULO PROVIDÊNCIA

AUTORES Ricardo Costa Paulo Providência TÍTULO Avaliação e Reabilitação Sísmicas de Edifícios de Betão Armado EDIÇÃO Quântica Editora – Conteúdos Especializados, Lda. E-mail: geral@quanticaeditora.pt . www.quanticaeditora.pt Praça da Corujeira n.o 38 . 4300-144 PORTO CHANCELA Engebook – Conteúdos de Engenharia PARCEIRO DE COMUNICAÇÃO Construção Magazine – Revista Técnica e Científica de Engenharia Civil APOIO À EDIÇÃO Hilti Portugal, Lda . www.hilti.pt INESC Coimbra – Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores de Coimbra . www.uc.pt/en/org/inescc Teixeira Trigo, Lda . www.teixeiratrigo.pt REVISÃO Quântica Editora – Conteúdos Especializados, Lda. DESIGN DE CAPA Delineatura – Design de Comunicação . www.delineatura.pt FOTO DE CAPA S&P Clever Reinforcement Ibérica COM FOTOGRAFIAS DE Hugo Rodrigues IMPRESSÃO novembro, 2019 DEPÓSITO LEGAL 458481/19

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Este livro encontra-se em conformidade com o novo Acordo Ortográfico de 1990, respeitando as suas indicações genéricas e assumindo algumas opções específicas.

CDU 624 Engenharia civil e de estruturas em geral 69 Indústria da construção. Materiais para construção. Procedimentos e práticas de construção ISBN Papel: 9789898927774 E-book: 9789898927781 Catalogação da publicação Família: Engenharia Subfamília: Engenharia Civil

Prefácio O livro “Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado” da autoria de Ricardo Costa e Paulo Providência tem a oportunidade de ser publicado após a concretização da legislação que regulariza a aplicação dos Eurocódigos Estruturais e torna obrigatória a avaliação e reforço sísmico de edifícios existentes sujeitos a intervenções de remodelação.

Com efeito o Decreto-lei no 95/2019 de 18 de Julho estabelece o regime aplicável às operações de reabilitação de edifícios ou de fracções autónomas e a Portaria 305/2019 de 12 de Setembro define os termos em que essas obras ficam sujeitas à elaboração de relatório de avaliação de vulnerabilidade sísmica bem como às situações em que é exigível a elaboração de projecto de reforço sísmico.

A aplicação da norma EN 1998: “Projecto de Estruturas para Resistência aos Sismos”, Parte 3 “Avaliação e Reabilitação de Edifícios” vai requerer um esforço de actualização da comunidade técnica, para o que muito contribuirá este livro. Deseja-se que as intervenções de remodelação anárquicas que têm ocorrido sem garantia da segurança sísmica, terminem, para o que é necessária uma intervenção activa por parte dos técnicos, dos municípios e de outras entidades que têm como dever licenciar e fiscalizar as obras de intervenção em edifícios existentes.

O livro desenvolve-se em três partes: análise de estruturas sujeitas à acção sísmica; avaliação e reabilitação sísmicas de estruturas e reabilitação de estruturas de betão armado.

O livro inclui de forma clara e rigorosa os conceitos básicos e as metodologias de cálculo de engenharia sísmica, aplicáveis a edifícios com a estrutura de betão armado. Tenho tido o grato prazer de contactar regularmente com os autores no âmbito da colaboração activa que têm dado ao Grupo de Trabalho GT2 “Estruturas Existentes” da CT115 Comissão Técnica “Eurocódigos Estruturais” e de me aperceber da qualidade e rigor com que desenvolvem a sua actividade. É assim com sincero prazer que me associo à publicação desta obra que constitui um excelente contributo para o meio técnico nacional.

Lisboa, 24 de Setembro de 2019 Júlio Appleton

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Conteúdo Prefácio

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Nota inicial

vii

Agradecimentos e créditos

ix

Organização do documento

xi

Conteúdo Simbologia e siglas Alguns sobrescritos . . . .

Alguns subscritos . . . . .

Letras minúsculas latinas .

Letras maiúsculas latinas .

Letras minúsculas gregas .

Letras maiúsculas gregas .

Siglas . . . . . . . . . . . .

xiii . . . . . . .

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I

Análise de estruturas sujeitas à ação sísmica

1

Introdução 1.1 Porque é necessária a reabilitação sísmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2 A necessidade de especificações para avaliação e reabilitação sísmicas . . .

1.3 Enquadramento da avaliação e reabilitação sísmicas . . . . . . . . . . . . . .

2

Conceitos básicos de análise sísmica 2.1 O efeito dos sismos sobre as estruturas . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2 Abordagens de dimensionamento sísmico de estruturas . . . . . . .

2.2.1 Abordagem (dimensionamento sísmico) por forças . . . . .

2.2.2 Abordagem (dimensionamento sísmico) por deslocamentos xiii

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xxi xxii xxii xxii xxiv xxviii xxx xxx

33 35 35 37 39

43 43 47 47 49

Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado

2.3

2.4

2.2.3 Verificação baseada em forças na reabilitação sísmica de estruturas 2.2.4 Cálculo pela capacidade real (capacity design) . . . . . . . . . . . . .

Conceção sísmica de estruturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.1 Simplicidade estrutural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.2 Uniformidade, simetria e redundância estrutural . . . . . . . . . . . .

2.3.2.1 Uniformidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.2.2 Simetria em planta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.2.3 Redundância estrutural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.3 Resistência e rigidez horizontais segundo duas direções ortogonais .

2.3.4 Resistência e rigidez à torção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.5 Ação de diafragma dos pavimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.6 Fundações adequadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Quantificação da ação sísmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4.1 Sismicidade em Portugal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4.2 Quantificação da ação sísmica de acordo com a EC8-1 . . . . . . . .

2.4.2.1 Tipo de terreno e sismicidade local . . . . . . . . . . . . . .

2.4.2.2 Classes de importância para edifícios . . . . . . . . . . . .

2.4.2.3 Período de retorno das ações sísmicas . . . . . . . . . . . .

2.4.2.4 Modelação da ação sísmica . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4.2.5 Conjugação da ação sísmica com outras ações . . . . . . .

II

Avaliação e reabilitação sísmicas de estruturas

3

Avaliação e reabilitação sísmicas de estruturas de acordo com a EC8-3 3.1 Enquadramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2 Requisitos fundamentais e requisitos de desempenho . . . . . . . . . . . . .

3.2.1 Requisitos fundamentais de projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2.2 Requisitos de desempenho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2.3 Disposições do Anexo Nacional da EC8-3 . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3 Informação relativa à estrutura existente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3.1 Nível de conhecimento (knowledge level) . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3.2 Coeficiente de confiança (confidence factor) . . . . . . . . . . . . . . .

3.4 Métodos de análise estrutural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4.2 Seleção do método de análise estrutural . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4.2.1 Influência do nível de conhecimento . . . . . . . . . . . . .

3.4.2.2 Influência da regularidade da estrutura . . . . . . . . . . .

3.4.2.3 Uniformidade da exigência/capacidade de deformação . . .

3.4.3 Análise modal por espectro de resposta (linear) . . . . . . . . . . . .

3.4.3.1 Cálculo das frequências próprias e dos modos de vibração 3.4.3.2 Cálculo da resposta estrutural . . . . . . . . . . . . . . . .

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50 51 54 55 57 57 58 61 62 62 63 64 65 65 67 67 68 72 73 82

87 89 89 91 91 92 93 94 96 100 101 101 102 102 103 116 118 119 121

Conteúdo

3.5

3.6

3.7

4

III 5

3.4.3.3 Modos de vibração relevantes para a análise sísmica . .

3.4.4 Análise sísmica pelo método das forças laterais (linear) . . . . . . .

3.4.5 Análise estática não linear (análise pushover) . . . . . . . . . . . .

3.4.5.1 Análise estática não linear básica . . . . . . . . . . . . .

3.4.5.2 Consideração dos modos superiores e da torção . . . . .

3.4.6 Análise dinâmica não linear (time history) . . . . . . . . . . . . . . .

3.4.7 Abordagem pelo coeficiente de comportamento (q-factor approach) Critérios de conformidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.5.1 Disposições genéricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.5.2 Métodos de análise linear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.5.3 Métodos de análise não linear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.5.4 Abordagem pelo coeficiente de comportamento . . . . . . . . . . . .

3.5.5 Resumo dos critérios de conformidade . . . . . . . . . . . . . . . . .

Elementos sísmicos primários (ESP) e secundários (ESS) . . . . . . . . . .

3.6.1 Elementos sísmicos que podem ser classificados como secundários 3.6.2 Análise sísmica de estruturas com elementos sísmicos secundários 3.6.2.1 Estruturas novas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.6.2.2 Estruturas existentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.6.3 Aspetos práticos relativos aos elementos sísmicos secundários . . .

3.6.3.1 Estruturas novas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.6.3.2 Estruturas existentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Modelação estrutural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.7.1 Modelos planos (2D) e espaciais (3D) . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.7.2 Modelação de lajes e efeito de diafragma . . . . . . . . . . . . . . .

3.7.3 Modelação de vigas e pilares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.7.4 Modelação de paredes estruturais e núcleos de betão armado . . .

3.7.5 Modelação das zonas de ligação e da sua deformabilidade . . . . .

3.7.6 Modelação da interação solo-estrutura . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.7.7 Modelação de paredes de alvenaria não estruturais . . . . . . . . .

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126 137 142 143 159 165 166 167 167 168 169 169 169 170 171 173 173 174 174 175 176 176 177 178 179 180 181 181 181

Estratégias, técnicas e procedimentos na reabilitação de edifícios 183 4.1 Estratégias e técnicas de intervenção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 4.2 Sequência de operações para avaliação e reabilitação sísmicas . . . . . . . . 186

Reabilitação de estruturas de betão armado

A realidade portuguesa 5.1 Histórico de sismos em Portugal . . . . . . . . . .

5.2 Tipificação do parque construído em Portugal . .

5.3 Caracterização do parque nacional de edifícios de 5.3.1 Edifícios de transição ou de placa . . . .

191

. . . . . . . . . . . . . . . . . . betão armado . . . . . . . . .

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193 193 195 198 198 xv

Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado

5.4

6

xvi

5.3.2 Edifícios de betão armado de primeira fase . . . . . . . . . . . . . .

5.3.3 Edifícios de betão armado de segunda fase . . . . . . . . . . . . . .

5.3.4 Edifícios de betão armado contemporâneos . . . . . . . . . . . . . .

Regulamentação e normas de estruturas em Portugal . . . . . . . . . . . . .

5.4.1 Regulamentação e normas relativas às ações em edifícios . . . . . .

5.4.1.1 Sobrecargas em edifícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.4.1.2 Ação sísmica em edifícios . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.4.2 Regulamentação e normas relativas a estruturas de betão armado .

5.4.2.1 Regulamento para o emprego do beton armado (RPEBA) 5.4.2.2 Regulamento do Betão Armado (RBA) . . . . . . . . . . .

5.4.2.3 Reg. Seg. das Construções Contra os Sismos (RSCCS) . .

5.4.2.4 Regulamento de Estruturas de Betão Armado (REBA) . .

5.4.2.5 Regulamento de Betões e Ligantes Hidráulicos (RBLH) .

5.4.2.6 Reg. Estruturas Betão Armado e Pré-Esforçado (REBAP) 5.4.2.7 NP EN 206 e NP EN 1992-1-1 (EC2-1-1) . . . . . . . .

5.4.2.8 Evolução das normas relativas a betão armado . . . . . .

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Estruturas propensas a comportamento sísmico insatisfatório 6.1 Deficiências do sistema estrutural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.1.1 Complexidade excessiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.1.2 Irregularidade em altura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.1.3 Lajes com reduzida rigidez e/ou resistência no plano . . . . . . . . .

6.1.4 Irregularidades na trajetória das forças . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.1.5 Sistema de contraventamento formado por pilares e lajes fungiformes 6.1.6 Sistema estrutural com contraventamento numa única direção . . . .

6.1.7 Massa total do edifício excessiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.1.8 Efeito adverso dos elementos de contraventamento desprezados . . .

6.1.8.1 Paredes de alvenaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.1.8.2 Estruturas de escada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.1.9 Sistemas estruturais propícios a grandes rotações de torção . . . . .

6.1.10 Distância entre edifícios insuficiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.1.11 Sistemas estruturais porticados com vigas fortes e pilares fracos . .

6.1.12 Fundações inadequadas e mau desempenho sísmico do solo . . . . .

6.2 Deficiências de dimensionamento, pormenorização e execução . . . . . . . . .

6.2.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.2.2 Utilização de varões lisos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.2.3 Quantidade de armadura insuficiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.2.4 Amarração e inadequada da armadura . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.2.5 Emenda da armadura por sobreposição inadequada . . . . . . . . . .

6.2.6 Armadura de esforço transverso inclinada . . . . . . . . . . . . . . . .

6.2.7 Nós viga-pilar com resistência insuficiente . . . . . . . . . . . . . . .

6.2.8 Paredes estruturais mal dimensionadas ou pormenorizadas . . . . . .

201 202 202 203 203 203 204 214 214 216 216 218 222 225 229 230

231 232 232 233 234 239 241 241 241 242 242 248 251 251 253 253 254 254 255 256 258 259 260 261 262

Conteúdo

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9

6.2.9 Pilares com esforço axial elevado e/ou excessivamente esbeltos . . . 263 6.2.10 Vigas de acoplamento com pormenorização deficiente . . . . . . . . . 263 6.2.11 Estruturas deterioradas e/ou com erros de execução . . . . . . . . . . 263

Informação relativa à estrutura existente 7.1 Informação necessária para a avaliação e reabilitação sísmicas 7.2 Recolha de informação relativa à estrutura existente . . . . . .

7.2.1 Geometria da estrutura existente e seus elementos . .

7.2.2 Quantidade e pormenorização da armadura . . . . . . .

7.2.3 Caracterização dos materiais . . . . . . . . . . . . . . .

7.2.3.1 Propriedades mecânicas do betão . . . . . .

7.2.3.2 Propriedades mecânicas do aço da armadura 7.2.3.3 Estado de conservação dos materiais . . . .

7.2.4 Ensaios de carga e medição de vibrações . . . . . . . .

. . . . . . . . .

Verificação de elementos existentes, reforçados e novos 9.1 Classificação dos mecanismos de rotura . . . . . . . . . . .

9.2 Critérios para verificação de segurança . . . . . . . . . . .

9.3 Determinação das exigências em elementos e mecanismos 9.3.1 Elementos e mecanismos dúcteis . . . . . . . . . .

9.3.2 Elementos e mecanismos frágeis . . . . . . . . . .

9.3.2.1 Análise não linear . . . . . . . . . . . .

9.3.2.2 Análise linear . . . . . . . . . . . . . . .

9.4 Determinação das capacidades . . . . . . . . . . . . . . . .

9.4.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9.4.2 Capacidade de mecanismos dúcteis . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

Modelos de comportamento para elementos de betão armado 8.1 Quantificação da deformação em elementos lineares . . . . . . .

8.2 Modelos de comportamento em flexão . . . . . . . . . . . . . . . .

8.2.1 Esforço axial e deformação axial . . . . . . . . . . . . . .

8.2.2 Vão de corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8.2.3 Propriedades mecânicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8.2.3.1 Rigidez efetiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8.2.3.2 Comportamento pós-cedência . . . . . . . . . .

8.2.3.3 Cálculo das propriedades mecânicas da secção 8.3 Confinamento do betão e sua modelação . . . . . . . . . . . . . .

8.3.1 Efeito do confinamento do betão . . . . . . . . . . . . . .

8.3.2 Modelo de confinamento do betão da EC2-1-1 . . . . . .

8.3.3 Modelo de confinamento do betão da EC8-3 . . . . . . .

8.3.4 Relação constitutiva para o betão confinado . . . . . . . .

8.3.5 Confinamento do betão com armadura transversal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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265 265 267 267 271 272 272 276 276 278

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307 307 308 308 308 314 314 315 329 329 330

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281 281 284 285 285 286 286 290 291 292 292 294 295 295 297

xvii

Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado

9.4.3 9.4.4

9.4.2.1 Estado limite de limitação de danos . . . . . . . . . . . .

9.4.2.2 Estados limite de colapso iminente e de danos severos .

9.4.2.3 Emenda de varões por sobreposição na zona dissipativa 9.4.2.4 Elementos sísmicos primários e secundários . . . . . . .

Mecanismos frágeis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9.4.3.1 Vigas, pilares e paredes estruturais . . . . . . . . . . . .

9.4.3.2 Nós viga-pilar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Combinação do efeito do sismo atuando em direções ortogonais . .

9.4.4.1 Comportamento em flexão . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9.4.4.2 Resistência ao corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10 Intervenção em estruturas de betão 10.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.2 Reparação de elementos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.2.1 Preparação do substrato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.2.1.1 Preparação do betão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.2.1.2 Preparação da armadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.2.2 Injeção de fendas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.2.2.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.2.2.2 Produtos de injeção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.2.2.3 Procedimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.2.3 Restauro do betão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.2.3.1 Argamassa aplicada à mão . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.2.3.2 Betão ou argamassa em cofragem ou molde . . . . . . . .

10.2.3.3 Betão ou argamassa projetados . . . . . . . . . . . . . . .

10.2.4 Restauro das armaduras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.3 Melhoria da capacidade dos elementos existentes . . . . . . . . . . . . . . .

10.3.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.3.2 Encamisamento com betão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.3.2.1 Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.3.2.2 Configuração do encamisamento com betão . . . . . . . .

10.3.2.3 Procedimento construtivo . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.3.2.4 Desempenho de elementos encamisados com betão . . .

10.3.3 Encamisamento metálico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.3.3.1 Encamisamento metálico na reabilitação sísmica . . . . .

10.3.3.2 Vantagens do encamisamento metálico na reabilitação .

10.3.3.3 Aplicação prática do encamisamento metálico . . . . . . .

10.3.3.4 Desempenho de elementos com encamisamento metálico 10.3.4 Encamisamento com FRP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.3.4.1 Principais características dos produtos de FRP . . . . . .

10.3.4.2 Aplicação de produtos de FRP por colagem externa . . .

10.3.4.3 Vantagens da aplicação de FRP por colagem externa . . xviii

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

330 343 354 357 361 361 373 380 381 384

385 385 386 387 389 398 399 399 399 401 404 405 405 406 407 407 407 409 409 411 415 418 427 427 428 429 432 442 442 445 445

Conteúdo

10.3.4.4 Aspetos construtivos da aplicação dos FRP por colagem 10.3.4.5 Desempenho de elementos encamisados com FRP . . . .

10.4 Redução global da exigência em elementos existentes . . . . . . . . . . . .

10.4.1 Aspetos gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.4.2 Adição de sistemas de contraventamento . . . . . . . . . . . . . . .

10.4.2.1 Adição de paredes estruturais de betão armado . . . . .

10.4.2.2 Adição de sistemas de contraventamento metálicos . . .

10.4.3 Adição de dispositivos antissísmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.4.3.1 Definição e tipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10.4.3.2 Sistemas de isolamento sísmico . . . . . . . . . . . . . . .

10.4.3.3 Sistemas de dissipação de energia . . . . . . . . . . . . .

10.4.4 Outros sistemas de redução da exigência aos elementos existentes

Anexos

. . . . . . . . . . . .

447 451 471 471 473 473 482 493 493 495 502 506

Anexo A Consideração dos danos existentes na avaliação da capacidade 511 A.1 Boletim de Informação 162 do CEB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511 A.2 Código de Intervenções Estruturais Grego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511 Anexo B Métodos de análise e modelos clássicos B.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

B.2 Modelos de treliça . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

B.2.1 Armadura de esforço transverso vertical . . . . . .

B.2.2 Armadura de esforço transverso inclinada . . . . .

B.3 Análise elástica da secção fendilhada em flexão composta B.3.1 Secção retangular: cedência da armadura . . . . .

B.3.2 Secção retangular: “cedência” do betão . . . . . .

B.3.3 Secção em T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

B.4 Método da Força Unitária . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

B.5 Modelos de fibras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

Anexo C Definições e convenções C.1 Convenções . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

C.1.1 Sistemas de eixos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

C.1.2 Sobrescritos L+, L-, R+, R- . . . . . . . . . . . . .

C.2 Definições do Regime Jurídico da Urbanização e Edificação C.3 Definições genéricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

C.3.1 Estrutura dissipativa . . . . . . . . . . . . . . . . . .

C.3.2 Zona dissipativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

C.4 Elementos e sistemas estruturais de betão armado . . . . .

C.4.1 Viga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

C.4.2 Viga de acoplamento . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

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. . . . . . . . . .

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. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

519 519 519 519 520 522 522 523 524 524 525

527 527 527 527 528 529 529 529 529 529 529 xix

Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado C.4.3 C.4.4 C.4.5 C.4.6

C.5 C.6

Pilar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Nó viga-pilar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Elemento compacto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Parede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

C.4.6.1 Parede dúctil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

C.4.6.2 Parede de grandes dimensões fracamente armada C.4.6.3 Parede acoplada . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

C.4.7 Sistemas estruturais resistentes à ação sísmica . . . . . . .

C.4.7.1 Sistema de paredes . . . . . . . . . . . . . . . . . .

C.4.7.2 Sistema porticado . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

C.4.7.3 Sistema misto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

C.4.7.4 Sistema misto equivalente a sistema porticado . .

C.4.7.5 Sistema misto equivalente a paredes . . . . . . . .

C.4.7.6 Sistema torsionalmente flexível . . . . . . . . . . .

C.4.7.7 Sistema em pêndulo invertido . . . . . . . . . . . .

Pórticos de aço . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

C.5.1 Pórtico simples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

C.5.2 Pórtico com contraventamento centrado . . . . . . . . . . . .

C.5.3 Pórtico com contraventamento excêntrico . . . . . . . . . . .

C.5.4 Pórtico simples combinado com contraventamento centrado .

Dispositivos antissísmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

C.6.1 Dispositivos de ligação rígidos (RCD) . . . . . . . . . . . . .

C.6.1.1 Dispositivos de ligação permanente (PCD) . . . .

C.6.1.2 Restrições fusíveis (FR) . . . . . . . . . . . . . . .

C.6.1.3 Dispositivos de ligação temporária (TCD) . . . . .

C.6.2 Dispositivos dependentes dos deslocamentos (DDD) . . . . .

C.6.3 Dispositivos dependentes da velocidade (VDD) . . . . . . . .

C.6.4 Isoladores sísmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

C.6.4.1 Isolador sísmico elastomérico . . . . . . . . . . . .

C.6.4.2 Apoio de borracha com núcleo de chumbo . . . . .

C.6.4.3 Superfície de deslizamento curva . . . . . . . . .

C.6.4.4 Superfície de deslizamento plana . . . . . . . . . .

Índice de figuras

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

530 530 530 530 530 530 531 531 531 531 531 531 531 532 532 532 532 532 532 532 532 533 533 533 533 533 533 534 534 534 534 534

535

Índice de tabelas

545

Bibliografia

549

Breve dicionário de termos estrangeiros

561

Índice alfabético

563

xx

Simbologia e siglas Este índice lista os símbolos das quantidades (variáveis e parâmetros) utilizadas no texto, quase todos com uma única letra, eventualmente seguida de um subscrito e/ou sobrescrito.

Por vezes, indica-se a expressão (expr.) que define essa quantidade ou a tabela que a refere, bem como a página (p.) onde estas se encontram. Apresenta-se o alfabeto latino antes do grego e as letras minúsculas antes das maiúsculas.

Os (poucos) símbolos a negrito indicam vetores ou matrizes – porém se é definido o escalar correspondente, não se repete o símbolo para o vetor ou a matriz. Nos subscritos, os símbolos a itálico designam eles próprios quantidades matemáticas. Por exemplo, enquanto que o subscrito “y” indica um eixo cartesiano, o subscrito “y” indica cedência (yielding).

Uma mesma quantidade ou entidade surge sempre ou em subscrito ou em sobrescrito, não ocorrendo em algumas variáveis como subscrito e noutras como sobrescrito. Por exemplo, o símbolo “R”, que se refere a resistência, nunca surge em sobrescrito, enquanto que o símbolo “R”, que indica a posição direita (right, ver §C.1.2), nunca surge em subscrito. (De forma geral, os sobrescritos indicam apenas a posição, por exemplo, na estrutura ou no elemento estrutural.)

Adotaram-se símbolos de acordo com a sua utilização mais habitual, tentando evitar-se utilizações conflituantes, mas tal nem sempre é possível – por exemplo, em estruturas de betão armado é normal o uso do subscrito “c” tanto para designar betão (concrete) como pilar (column). Por outro lado, procurou-se alguma consistência, evitando a utilização de subscritos distintos para um mesmo significado. Por exemplo, o subscrito para “efetivo” nos Eurocódigos, tanto pode ser “e”, como “ef” como “eff” (effective) – neste texto usa-se sempre a terceira destas hipóteses. Como este parágrafo ilustra, muitos subscritos têm origem em línguas estrangeiras, nomeadamente o inglês: nesses casos acrescenta-se, na primeira vez que são utilizados, o termo de que derivam, para servir de mnemónica.

Além disso, quando um mesmo símbolo pode ter mais que um significado ou definição, procurou-se destrinçar os diferentes significados através do subscrito.

Por último, algumas variáveis apresentam autênticos comboios de subscritos. Dada a inospitalidade de tal prática, só foi empregue quando absolutamente imprescindível. xxi

Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado

Alguns sobrescritos ∗ L R

quantidades associadas ao sistema de um grau de liberdade equivalente (S1GLE) no método N2 da análise estática não linear, p. 146; propriedades mecânicas de elemento encamisado, p. 419 left right

Alguns subscritos eff el I s x y y

efetivo elástico linear classe de importância (de edifício) aço (steel); piso (storey); ondas sísmicas S direção x do referencial cartesiano cedência plástica (yielding) direção y do referencial cartesiano

Letras minúsculas latinas a ag agc

agR avg b bb bc

bj bmax bo bw c ccr cu d db

xxii

aceleração; espessura efetiva do cordão de soldadura, Fig. 10.32; extensão do elemento não encamisado junto à extremidade, Fig. 10.49 valor de cálculo da aceleração à superfície de terreno Tipo A, expr. (2.5), p. 70 valor de referência da aceleração máxima à superfície de um terreno do Tipo A para um período de retorno arbitrário TRc valor de referência da aceleração máxima à superfície de um terreno do Tipo A, Tabela 2.2, p. 69 valor de cálculo da aceleração vertical à superfície de terreno do Tipo A dimensão da secção transversal perpendicular ao plano de flexão dimensão da secção transversal da viga perpendicularmente ao plano de flexão dimensão da secção transversal do pilar perpendicularmente ao plano de flexão; largura da aba de cantoneira largura efetiva do nó viga-pilar perpendicularm. ao plano de flexão, expr. (9.27), p. 324 dimensão máxima de secção transversal retangular largura do núcleo confinado medido no eixo da cinta menor largura da secção, normal ao plano de flexão recobrimento; constante de amortecimento viscoso constante de amortecimento viscoso crítico coesão não drenada do solo deslocamento diâmetro de varão da armadura longitudinal

Capítulo 1

Introdução Num país que tem como marca histórica o terramoto de 1755, que foi pioneiro na construção sismo resistente e que está na vanguarda do conhecimento nesta área, é estranho que a preocupação com o risco sísmico seja hoje tão reduzida.

João Azevedo, Presidente da SPES, 2019

1.1

Porque é necessária a reabilitação sísmica

O risco sísmico (R) pode ser entendido como uma medida das perdas potenciais (materiais e humanas, diretas ou indiretas) resultantes da eventual ocorrência de um determinado evento sísmico num período de tempo específico, sendo portanto desejável que seja o mais baixo possível. Para avaliar as medidas que podem mitigar o risco sísmico, é necessário compreender os fatores que o influenciam. De forma muito genérica, o risco sísmico depende de três fatores: − sismicidade (S):2 probabilidade de ocorrência de um sismo (e seus efeitos colaterais, como o deslizamento de terras, a liquefação dos solos ou tsunamis) de intensidade superior a um dado valor, num determinado local e durante um dado período de tempo;

− exposição (E): medida do valor dos elementos expostos aos sismos (população, infraestruturas, atividades económicas, etc.) num determinado local; − vulnerabilidade (V ): medida do dano (perdas humanas, materiais, económicas e societais) expectável resultante de um sismo de intensidade superior a um dado valor.

2

Na literatura técnica em língua inglesa, hazard (H).

35

Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado

Figura 2.15: Mapa europeu da aceleração máxima à superfície do terreno (PGA) para um período de retorno de 475 anos (10 % de probabilidade de excedência em 50 anos) [98].

− tipo 2 (sismo próximo): sismo de magnitude moderada (inferior a 5,5) com epicentro a pequena distância, sobretudo em terra (inland) – cenário de geração numa falha ativa no interior da placa tectónica continental (intraplaca).

Recentemente, foram elaborados estudos no âmbito do projeto SHARE [97] tendo em vista a harmonização dos modelos de sismicidade a nível europeu, e incluindo a Turquia, resultando no European Seismic Hazard Model (ESHM13) [241]. As Figs. 2.15 e 2.15, publicadas no âmbito deste projeto, apresentam a distribuição da PGA para um período de retorno de 475 e 2475 anos, respetivamente (correspondentes a 10 % e 2 %, respetivamente, de probabilidade de excedência em 50 anos) [96, 97].

A nível europeu, pode-se efetuar um zonamento com base em três níveis de sismicidade, de acordo com a PGA correspondente a um período de retorno de 475 anos (Fig. 2.15) [96,97] – podendo-se considerar que PGA = ag · S [181]: − zonas de sismicidade baixa: PGA ≤ 0,10 g;

66

− zonas de sismicidade moderada: 0,10 g < PGA < 0,25 g;

2.4. Quantificação da ação sísmica

2%

Reykjavik

a ed ce Ex

Tallinn Stockholm

n5 0.8

rs ea 0y

Warsaw

Berlin

yi

Amsterdam London

ilit

Vilnius

Dublin

ab

] 0.6 n / [g o ati 0.4 celer c dA

Riga Edinburgh Copenhagen

b ro eP nc

0.2 oun Gr

k 0.0 Pea Helsinki

Oslo

Bruxelles Prague Paris Chisinau

Bratislava Vienna Budapest Berne Ljubljana

Bucharest

Zagreb Belgrade

Sarajevo Sofia Ankara Podgorica

Madrid

Barcelona

Rome

Skopje

Tirana

Lisbon

Athens

Nikosia

Figura 2.16: Mapa europeu da aceleração máxima à superfície do terreno (PGA) para um período de retorno de 2475 anos (2 % de probabilidade de excedência em 50 anos) [99].

− zonas de sismicidade elevada: PGA ≥ 0,25 g; pelo que Portugal, no contexto europeu, pode ser considerado um país de sismicidade moderada. A §5.1 apresenta uma breve resenha dos principais eventos sísmicos ocorridos em Portugal Continental e no Arquipélago dos Açores nos últimos anos.

2.4.2

Quantificação da ação sísmica de acordo com a EC8-1

De acordo com a EC8-1, o valor da ação sísmica a considerar para efeitos de análise estrutural, depende dos aspetos seguintes (brevemente abordados nas próximas secções): − tipo de terreno e sismicidade do local (§2.4.2.1); − importância da construção (§2.4.2.2); − período de retorno do sismo considerado (§2.4.2.3).

2.4.2.1 Tipo de terreno e sismicidade local De acordo com a EC8-1, a sismicidade de um local, pode ser geralmente descrita pelo valor de referência da aceleração máxima à superfície de um terreno do Tipo A (agR ).

67

O zonamento sísmico para Portugal Continental, para o Arquipélago da Madeira e para o Arquipélago dos Açores é estabelecido, por Concelho, de acordo com a informação constante do Anexo NA.I, e ilustrado nas Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado Figuras NA.I, NA.II e NA.III.

NP EN 1998-1 2010

Zonas

Zonas

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

p. 208 de 230

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

Acção sísmica Tipo 1

Acção sísmica Tipo 2

Figura 2.18: Figura Zonamento do território Continental (NA, EC8-1).

NA.I –sísmico Zonamento sísmico de em Portugal Portugal Continental

Zonas 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

N

10

0

10 Km Kilometers

Figura 2.19: Zonamento sísmico do território da Madeira para ação sísmica Tipo 1 (NA, EC8-1).

Figura NA.II – Zonamento sísmico no Arquipélago da Madeira (Acção sísmica Tipo 1)

valor de ag é dado pelo produto do valor de agR pelo coeficiente de importância γI , cujo valor é definido na Tabela 2.4, ag = γI · agR

(2.5)

O coeficiente γI visa, fundamentalmente, aumentar o período de retorno da ação sísmica com a classe de importância do edifício, ver §2.4.2.3.

poderão, em certas circunstâncias, usar-se métodos expeditos de cálculo sísmico e que nas zonas de muito baixa sismicidade se pode ignorar o EC8.

70

NP EN 1998-1 2.4. Quantificação da 2010 ação sísmica

p. 209 de 230

Grupo Ocidental

Grupo Central

Grupo Oriental

Zonas

N

10

0

Kmm 10 Kilo

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

Figura 2.20: Zonamento sísmico do território dos Açores para ação sísmica Tipo 2 (NA, EC8-1).

Figura NA.III – Zonamento sísmico no Arquipélago dos Açores (Acção sísmica Tipo 2)

71

Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado 0.1

0.08

C

Sd,e (m)

0.06 0.04 0.02 0

0

A

2

E

D

B 4

6 T (s)

8

10

Figura 2.26: Espectro de resposta elástica do deslocamento horizontal para sismo Tipo 2, terreno tipos A a E, ξ = 5 % e ag = 1 m/s2 (NA, EC8-1) – o troço ponteado, tal como o valor dos seus períodos extremos, não é confiável.

Tabela 2.7: Parâmetros do espectro de resposta elástica da aceleração vertical (NA, EC8-1). ação sísmica

analiticamente por

Tipo 1 Tipo 2

avg ag

0,75 0,95

TB (s)

0,05 0,05

TC (s)

0,25 0,15



  avg · 1 + 3,0η − 1 ·      3,0avg · η, Sav,e [T ] =  3,0a · η · TC ,  vg  T     3,0a · η · TC ·TD , vg T2

T TB ,

TD (s)

1,00 2,00

0 ≤ T ≤ TB

T B < T ≤ TC

TC < T ≤ TD

TD < T ≤ 4 s

(2.14)

em que os parâmetros intervenientes estão definidos na Tabela 2.7 – note-se que estes parâmetros são independentes do tipo de solo.

2.4.2.4.3

Espectros de resposta de cálculo da aceleração horizontal e vertical

Como se explicou, as estruturas em que a dissipação de energia sísmica ocorre através de deformações inelásticas (estruturas dúcteis) podem ser dimensionadas para esforços devidos à ação sísmica inferiores aos que ocorreriam se o seu comportamento fosse elástico linear.

80

Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado

Figura 4.1: Exemplo de alteração do sistema estrutural de um edifício irregular em planta.

− o aumento da resistência não reduz a ductilidade global, ou seja, o incremento da resistência à flexão de um elemento não torna crítico o mecanismo resistente ao corte nem transfere zonas dissipativas de vigas para pilares; − nas estruturas de alvenaria:

• os lintéis não dúcteis são substituídos;

• as ligações inadequadas entre lajes e paredes estruturais são melhoradas;

4.2

• os impulsos normais ao plano das paredes são suportados por elementos com rigidez e resistência nessa direção.

Sequência de operações para avaliação e reabilitação sísmicas

A Fig. 4.2 apresenta um procedimento para a avaliação sísmica e eventual elaboração do projeto de reabilitação sísmica de estruturas no âmbito da EC8-3, com os passos seguintes:

Passo 1 – se não tiverem sido estabelecidos pelas autoridades competentes, definir os requisitos de desempenho (§3.2.2), ou seja, os requisitos fundamentais (§3.2.1) e o nível da ação sísmica correspondente (§§3.2.2 e 2.4); Passo 2 – obter informação relativa a (§3.3):

186

Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado paredes de alvenaria com placa 31.7%

paredes de alvenaria sem placa

13.6%

5.3%

paredes de alvenaria de pedra solta ou de adobe

0.8%

outros

48.6% betão armado

Figura 5.1: Distribuição dos edifícios em Portugal em função do tipo de material estrutural [108].

2006-2011 2001-2005 1996-2000 1991-1995 1981-1990 1971-1980 1961-1970 1946-1960 1919-1945 antes de 1919

0

20 40 60 80 100 % de edifícios construídos por época

betão armado paredes de alvenaria com placa paredes de alvenaria sem placa paredes de alvenaria de pedra solta ou de adobe outros

Figura 5.2: Distribuição dos edifícios em Portugal por época e tipo de material estrutural [108].

196

5.4. Regulamentação e normas de estruturas em Portugal

Tabela 5.6: Valores mínimos do coeficiente sísmico c (RSCCS [214]).

tipo de estrutura ou elemento conjunto da construção

elementos da construção

zona sísmica A

B

construções correntes (edifícios)

0,10

0,05

paredes e outros elementos

0,20

0,10

construções em forma de torre (chaminés isoladas, reservatórios elevados)

varandas, chaminés e outros elementos destacados das paredes exteriores e das coberturas

0,20 0,30

0,10 0,15

Figura 5.8: Zonamento sísmico de Portugal Continental no RSCCS e RSEP (esq.) e no RSA (dir.).

5.4.1.2.3

Regulamento de solicitações em edifícios e pontes (RSEP)

Genericamente, o RSEP [215], de 1961, mantém inalterada a forma de tratar a ação sísmica definida no RSCCS [214], mas estabelece um novo sistema de classificação das ações, com enquadramento adequado da ação sísmica.

Assim, o RSEP divide as ações (então designadas por solicitações) em dois tipos fundamentais com base no critério de permanência de atuação: − solicitações permanentes: peso dos elementos de construção, incluindo revestimentos, e do equipamento fixo; 207

Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado

Figura 5.11: Perfil nervurado do varão do tipo SN 400 [120].

Figura 5.12: Perfil nervurado do varão do tipo SN 400 E [122].

Figura 5.13: Perfil nervurado do varão do tipo Kari 400 ER [124].

Figura 5.14: Perfil nervurado do varão do tipo SN 500 [121].

Figura 5.15: Perfil nervurado do varão do tipo SN 235 R [123].

Figura 5.16: Perfil nervurado dos varões do tipo A400 (a) NR e (b) NRSD [125].

Hoje em dia, a geometria das nervuras dos varões nervurados identifica a classe de resistência, o país de origem e o fabricante [125]. As Figuras 5.16 a 5.18 (a sigla SD significa ductilidade especial) representam essa geometria para os varões homologados atualmente comercializados em Portugal.

No REBAP, as verificações de segurança continuam a basear-se em estados limite, a cada um dos quais correspondem diversas combinações de ações, de acordo com os critérios gerais do RSA: − estados limite últimos:

226

• estado limite último de resistência;

6.1. Deficiências do sistema estrutural

6.1.2

Figura 6.2: Colapso devido a piso flexível (Hugo Filipe Pinheiro Rodrigues, Áquila 2009).

Irregularidade em altura

A irregularidade em altura pode conduzir a mecanismos de colapso local, genericamente designados mecanismos de piso flexível (soft storey), ver Figuras 6.2 e 6.4 (§2.3.2.1). Este tipo de irregularidade tem genericamente dois efeitos nefastos:

− os modos de vibração de ordem superior passam a ter um efeito significativo na resposta da estrutura, o que pode causar uma distribuição de cargas horizontais equivalentes significativamente diferente da habitualmente considerada na análise e dimensionamento por métodos simplificados (§3.4.4);

− o rácio entre a exigência e a capacidade resistente lateral dos pisos varia muito de piso para piso, o que leva um dos pisos a entrar em regime não linear muito antes dos outros, reduzindo acentuadamente a rigidez desse piso e concentrando nele as deformações – a análise linear não deteta este efeito (§§3.4.3 e 3.4.4).

As fontes de irregularidade em altura mais comuns são:

− um piso significativamente mais alto que os outros, Fig. 6.5(a) – como a rigidez lateral dos pilares é inversamente proporcional ao cubo do seu comprimento, a duplicação da altura de um piso, por exemplo, equivale a dividir a sua rigidez por oito; a maior flexibilidade de um piso pode causar a concentração de deformações no mesmo;

− distribuição irregular de massa, nomeadamente a sua concentração num piso, Figuras 6.5(b) e 6.3; − variação brusca da rigidez dos elementos de contraventamento, Fig. 6.5(c);

− interrupção dos elementos de contraventamento ao nível do piso térreo (piso vazado), Figuras 6.5(d) e 6.17, para uso comercial ou estacionamento; 233

Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado

Figura 6.3: Concentração de massa na cobertura (Hugo Filipe Pinheiro Rodrigues, Nepal 2015).

Figura 6.4: Colapso devido a piso flexível (Hugo Filipe Pinheiro Rodrigues, Nepal 2015).

− pisos recuados (setback ) com interrupção dos elementos de contraventamento principais, Fig. 6.5(e).

6.1.3

Lajes com reduzida rigidez e/ou resistência no plano

São vários os fatores que podem aumentar a deformabilidade ou reduzir a resistência das lajes no seu plano, pondo em risco a transmissão de forças de inércia aos elementos de contraventamento e causando deformações inelásticas elevadas em alguns elementos estruturais: (i) edifícios com configuração esbelta em planta, ver §3.4.2.2.1 e Fig. 2.13;

(ii) edifícios com planta não compacta (§3.4.2.2.1), ou seja, apresentando reentrâncias e/ou saliências significativas, ver Fig. 6.6: plantas em forma de L, T, U, H ou ainda outras

234

Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado

Figura 6.6: Colapso parcial de edifício com configuração não compacta em planta e lajes com resistência insuficiente aos esforços de membrana (Hugo Filipe Pinheiro Rodrigues, Áquila 2009).

Figura 6.7: Zonas de concentração de tensões em edifícios com reentrâncias ou saliências em planta.

(vi) sistemas de contraventamento com os seus elementos oblíquos entre si (ou seja, não ortogonais) em planta podem causar nas lajes esforços não expectáveis; por exemplo, admitindo que de todas as paredes estruturais do sistema representado na Fig. 6.11 têm igual comportamento e que só resistem a forças horizontais paralelas ao seu plano, então, para um sismo segundo y, as paredes transmitem à laje forças com componente segundo x, que corresponde a um esforço de membrana de compressão de um lado e de tração do outro – este esforço de tração é independente de as paredes serem ortogonais ou oblíquas entre si, mas, no segundo caso, é agravado numa das direções;

236

Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado

Figura 6.21: Rotura por corte do pilar intermédio, causada num sismo por parede de enchimento (Hugo Filipe Pinheiro Rodrigues, Nepal 2015).

Figura 6.22: Comportamento lateral do tipo pilar curto, causado num sismo por parede de enchimento.

ao de um pilar de comprimento normal, de acordo com o cálculo pela capacidade real (§2.2.4).

246

Note-se que o comportamento lateral tipo pilar curto pode ter outras origens, como as vigas invertidas de altura elevada situadas na periferia do edifício (Fig. 6.24(a)). Além disso, pode também ocorrer um fenómeno similar em vigas, quando a abertura numa parede de alvenaria se estende a toda a altura do piso, passando o troço “livre” da viga a funcionar como uma viga de acoplamento, (§C.4.2) ver Fig. 6.24(b).

6.1. Deficiências do sistema estrutural

Figura 6.23: Roturas num sismo devidas a comportamento lateral de tipo pilar curto (Hugo Filipe Pinheiro Rodrigues, Lorca 2011).

Figura 6.24: Redução do comprimento lateral livre (a) do pilar devido a viga invertida, causando comportamento tipo pilar curto e (b) das vigas devido a paredes de enchimento, causando comportamento tipo viga de acoplamento.

Para evitar que a grande rigidez da parede de alvenaria cause a rotura frágil do pilar, devese dimensioná-lo para resistir ao esforço transverso associado ao comportamento de pilar curto. Melhor ainda será optar por uma medida preventiva na fase de conceção, ou seja, evitar a formação potencial de pilares curtos através de uma das seguintes opções: − afastar o plano da parede de alvenaria do plano do pórtico;

− reduzir a dimensão horizontal da abertura na parede, por forma a que esta não se estenda totalmente entre dois pilares e permita, sob as ações sísmicas, a formação na

247

6.1. Deficiências do sistema estrutural

Figura 6.26: Comportamento do tipo pilar curto, causado por laje de escada ligada a pavimento e pilar.

Figura 6.27: Laje de escada ligando pavimento a secção intermédia dos pilares (Hugo Filipe Pinheiro Rodrigues).

− colocando todos os apoios da escada sobre um único pavimento (Fig. 6.28(a));

− desligando a escada da estrutura,79 construindo um módulo independente para a alojar (Fig. 6.28(b));

− em lanços de escadas independentes, usando um único apoio fixo, sendo os restantes apoios simples verticais, ou seja, deslizantes, usando, por exemplo, chapas de aço, Fig. 6.29; 79

Unidos funcionalmente com um simples cobre-juntas.

249

Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado

Figura 6.34: Efeitos do entrechoque de edifícios causado por sismo (Hugo Filipe Pinheiro Rodrigues, Lorca 2011).

Figura 6.35: Mecanismo de colapso parcial (piso fraco) por conjugação de pilares fracos e vigas fortes.

ções ou a liquefação do solo que suporta um edifício. A liquefação resulta da redução da porosidade e do consequente aumento da pressão da água nos poros de solos formados por areias soltas saturadas, silte ou cascalho, quando o movimento causado por um sismo os agita, levando à sua consolidação. A liquefação pode provocar o assentamento do solo e, se este não for uniforme na zona de implantação do edifício, pode originar um movimento de rotação de tal forma severo que leva ao seu colapso por perda de equilíbrio global [35].

6.2

Deficiências de dimensionamento, pormenorização e execução

6.2.1

Generalidades

Quando ocorre um sismo de intensidade elevada, se a estrutura do edifício apresentar algumas das deficiências identificados na secção anterior (§6.1), as deformações inelásticas 254

6.2. Deficiências de dimensionamento, pormenorização e execução

Figura 6.38: Secção de pilar fracamente armada, típica das estruturas de betão armado anteriores a 1980 em Portugal [217].

Figura 6.39: Rotura de elementos verticais por corte (Hugo Filipe Pinheiro Rodrigues, Áquila 2009).

− devido ao efeito de Bauschinger, após a sua cedência, os varões longitudinais ficam muito vulneráveis à encurvadura por varejamento nos ciclos tração-compressão que caracterizam a ação sísmica, Fig. 6.41;

− pode ocorrer a rotura frágil por esforço transverso, Fig. 6.39: o carácter oscilatório da ação sísmica origina fendas diagonais segundo duas direções oblíquas entre si, que se intersetam provocando o esmagamento e a desintegração do betão – como a armadura transversal está sempre em tração, independentemente do sentido da ação sísmica, as fendas não se fecham totalmente quando este sentido muda, e a sua largura aumenta progressivamente, degradando rapidamente a rigidez e a resistência ao corte.

257

Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado

Figura 6.40: Efeito de armadura transversal insuficiente em zonas dissipativas (Hugo Filipe Pinheiro Rodrigues, Nepal 2015).

Figura 6.41: Encurvadura dos varões longitudinais devida a cintas com amarração inadequada ou espaçamento excessivo (Hugo Filipe Pinheiro Rodrigues, Lorca 2011).

6.2.4

Amarração e inadequada da armadura

O fecho dos estribos por simples sobreposição do varão num troço reto (Fig. 6.38) ou num cotovelo de 90◦ , não os ancora devidamente e permite que estes elementos abram quando ocorre o destacamento do recobrimento (spalling), reduzindo fortemente o confinamento do betão e o contraventamento das armaduras longitudinais (Fig. 6.41). Para evitar este problema é necessário fechar os estribos formando cintas com cotovelos de 135◦ virados para o interior da secção, ver Fig. 8.19.

258

6.2. Deficiências de dimensionamento, pormenorização e execução

Figura 6.45: Nós viga-pilar não dimensionados para resistir ao corte.

Figura 6.46: Rotura de ligação viga-pilar (Hugo Filipe Pinheiro Rodrigues, Áquila 2009 (esq.) e Lorca 2011 (dir.)).

6.2.7

Nós viga-pilar com resistência insuficiente

Quando são sujeitos à ação de um sismo, os nós viga-pilar (§C.4.4) podem apresentar valores do esforço transverso80 muito superiores aos das vigas e pilares adjacentes – cerca de 5 vezes maiores de acordo com [182]. No entanto, no passado os nós eram frequentemente mal dimensionados e pormenorizados, o que os tornava incapazes de resistir a tais níveis de esforço transverso (§9.3.2.2.3), nomeadamente devido a: − ausência de cintas, Figuras 6.45(a) e 6.46;

− na análise e dimensionamento, o nó viga-pilar era considerado uma extensão do pilar e, consequentemente, a sua armadura transversal era igual à deste, Fig. 6.45(b); − disposição da armadura longitudinal das vigas exteriormente à dos pilares, Figuras 6.47(a) e 6.48 – estas armaduras perdem a aderência se ocorrer o destacamento do betão de recobrimento; o efeito não é tão gravoso no caso das armaduras lon-

80 É habitual estender o conceito de esforço transverso aos nós viga-pilar, embora estes não sejam elementos lineares (1D).

261

Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado

Figura 6.47: Pormenorização incorreta da armadura longitudinal da viga em ligação viga-pilar.

Figura 6.48: Ligação viga-pilar com a armadura longitudinal das vigas exterior à dos pilares (Hugo Filipe Pinheiro Rodrigues, Áquila 2009 (esq.) e Lorca 2011 (dir.)).

gitudinais dos pilares dispostas pelo exterior das armaduras longitudinais das vigas devido ao efeito das cintas do nó;

− armadura longitudinal das vigas dobrada na zona do nó para passar pelo interior da do pilar, Fig. 6.47(b); estas dobras tornam esta armadura flexível, de modo que ela não resiste às forças de tração e compressão, além de que as forças de desvio nas dobras causam o destacamento do betão e reduzem o confinamento conferido pelas cintas.

6.2.8

Paredes estruturais mal dimensionadas ou pormenorizadas

Se as paredes estruturais estiverem mal dimensionadas e/ou pormenorizadas o seu desempenho sísmico pode ser mau, nomeadamente:

− se aquelas que deviam ser as zonas dissipativas da parede, ou seja, as extremidades da sua secção transversal – onde a armadura vertical tem as maiores tensões normais causadas pelas ações horizontais – não estão confinadas, ou seja, cintadas, Fig. 6.49(a), a sua capacidade de deformação é muito reduzida porque:

• o betão tem tensão de rotura à compressão e capacidade de deformação baixas; • os varões da armadura vertical podem encurvar por varejamento;

− se são muito esbeltas, ou seja, se a sua espessura é muito baixa, e apresentam uma única malha de armadura, disposta no seu plano médio, Fig. 6.49(b), então são muito

262

Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado

Figura 6.50: Pormenorização de viga de acoplamento em parede com aberturas [164].

Figura 6.51: Má betonagem ou compactação do betão (Hugo Filipe Pinheiro Rodrigues).

− incumprimento dos valores de recobrimento definidos no projeto, sendo as situações mais comuns:

• recobrimento junto à superfície inferior dos elementos menor que especificada, o que se pode dever à utilização de um número insuficiente de espaçadores; • espessura do recobrimento junto à superfície superior dos elementos maior que a especificada, o que se pode dever a um número de cavaletes insuficiente;

− má betonagem e/ou má compactação, com vibração insuficiente, que pode deixar vazios, ou excessiva, que pode provocar a segregação de agregados, Fig. 6.51; − diferenças entre o projeto de estabilidade e a estrutura construída, como por exemplo, • implantação incorreta de elementos verticais;

264

• disposição incorreta da armadura.

Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado

Figura 7.1: Modelo digital de edifício (Carlos Valadão Santos, Tie Point – Engenharia).

Figura 7.2: Levantamento fotogramétrico da Fachada Principal do Mosteiro da Batalha: modelo digital de superfície (esq.) e ortomosaico (dir.) (Gil Gonçalves, Universidade de Coimbra).

− medição direta: requer o acesso integral e prolongado no tempo ao edifício, é propício a erros e tem uma relação custo/benefício elevada; − taqueometria: à semelhança da medição direta, permite determinar a posição de um conjunto discreto de pontos com uma exatidão suficiente para a maioria dos casos; − fotogrametria: técnica que emprega duas imagens fotográficas, ou, preferencialmente, mais, do mesmo objeto (ou de parte dele), captadas a partir de pontos distintos (georreferenciados ou referenciados entre si); com base nestas imagens estabelece-se uma vista estereoscópica, de onde se extrai a informação espacial (3D), ou seja, as coordenadas cartesianas, dos objetos; constrói-se um modelo digital do objeto utilizando algoritmos de deteção de pontos comuns em diferentes captações [81], ver Fig. 7.1; tem-se utilizado esta técnica no levantamento das fachadas (Fig. 7.2) e cobertura de edifícios, nomeadamente com o auxílio de drones (Fig. 7.3);

268

Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado

Figura 7.4: Termograma: deteção de elementos estruturais no interior de parede por medição da radiação térmica emitida (João Crisóstomo Pereira).

esta técnica, que utiliza uma câmara termográfica, consiste em medir a radiação eletromagnética na gama dos infravermelhos (radiação térmica) emitida pelo objeto em observação; como a radiação emitida depende das propriedades físicas do objeto, as suas variações poderão permitir detetar heterogeneidades no seu interior (Fig. 7.4), ou mesmo eventuais anomalias, como vazios, fendas ou delaminações; no entanto, para fazer medições relevantes é fundamental que haja um gradiente térmico significativo entre as distintas partes da construção e da estrutura investigada e entre estas e a temperatura atmosférica – por isso, as superfícies não diretamente expostas à luz solar podem requerer uma técnica ativa, empregando uma fonte artificial de calor externa;85

− georadar (GPR): técnica baseada na medição do tempo que ondas eletromagnéticas demoram a fazer um percurso no interior de um elemento sólido, desde uma antena emissora até uma superfície de interface entre materiais com propriedades distintas, que a reflete, e de volta a uma antena recetora situada junto à emissora; este procedimento permite detetar objetos ocultos no interior do elemento, determinar a espessura das diferentes camadas do elemento, detetar a presença de humidade, cavidades, armadura, tubagens, etc.;

− detetor de armaduras: apesar da sua principal aplicação em construção civil ser a deteção e determinação da posição de varões de aço, possibilitando em certos casos a medição do seu diâmetro e do seu recobrimento (§7.2.2), permite, mais geralmente, detetar elementos metálicos no interior de elementos não metálicos.

Os resultados do levantamento estrutural são representados em desenhos (plantas, alçados, cortes, etc.), que devem incluir [38]: 85

270

Os autores agradecem a João Crisóstomo Pereira os esclarecimentos prestados sobre esta técnica.

7.2. Recolha de informação relativa à estrutura existente

Figura 7.5: Desbaste do revestimento e recobrimento para identificar tipo e diâmetro das armaduras e avaliar perda de secção por corrosão (Manuel Rodrigues Teixeira).

− a posição cotada dos elementos estruturais;

− a secção transversal dos elementos estruturais (no tosco);

− a orientação do vigamento nos pavimentos (normalmente elementos pré-fabricados pré-esforçados); − a localização e as dimensões de aberturas nos elementos estruturais;

− as anomalias, que como se referiu, devem ser mapeadas, constituindo desenhos distintos dos utilizados para descrever a estrutura existente.

7.2.2

Quantidade e pormenorização da armadura

A deteção dos varões da armadura, determinação da sua configuração, diâmetro, espaçamento e recobrimento, podem ser efetuados por dois processos: − detetor de armaduras (Fig. 7.6), ver §7.2.1;

− desbaste do recobrimento (Fig. 7.5), seja por picagem a martelo e escopro ou martelo percussor, seja por decapagem com jato de água a alta pressão (até 60 MPa); aplicamse as ressalvas relativas à remoção do recobrimento (§7.2.1), com a agravante de as técnicas mais agressivas requeridas neste caso danificarem os elementos estruturais.

A exposição das armaduras por desbaste do recobrimento permite ainda identificar o tipo de superfície, lisa ou nervurada, e, no caso de armaduras nervuradas, a sua origem, a classe de resistência e a classe de ductilidade, ver §5.4.2.

No entanto, é extremamente difícil obter informação sobre algumas armaduras, independentemente de qual dos métodos anteriores é usado, nomeadamente, a armadura transversal em nós viga-pilar, o fecho das cintas e a armadura superior nas vigas com lajes, a menos que se destrua parcialmente o elemento estrutural.

271

Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado

Figura 7.6: Utilização de detetor para determinar posição, profundidade e diâmetro de armadura (HILTI).

7.2.3

Caracterização dos materiais

As propriedades mecânicas dos materiais podem ser determinadas a partir dos resultados de ensaios in situ e de ensaios laboratoriais sobre amostras recolhidas no edifício existente.

Para além das propriedades mecânicas dos materiais, também é necessário identificar eventuais anomalias, e o seu potencial desenvolvimento futuro.

7.2.3.1

Propriedades mecânicas do betão

Para o betão, é normalmente suficiente determinar a sua resistência ou tensão de rotura à compressão fc , podendo as suas restantes propriedades ser estimadas em função de fc , por exemplo, recorrendo às relações apresentadas no Quadro 3.1 da EC2-1-1.

272

7.2. Recolha de informação relativa à estrutura existente

Figura 7.7: Extração de carote de betão (HILTI).

De acordo com a NP EN 13791 [173], em estruturas existentes, a tensão de rotura do betão à compressão fc pode ser estimada diretamente pelo ensaio à compressão de carotes (método direto), que é o método de referência, ou por uma combinação do método direto com um ou mais métodos indiretos.

No método direto, procede-se à extração de carotes, em número e de acordo com regras específicas (Fig. 7.7), as quais são seguidamente preparadas e sujeitas ao ensaio à compressão (Fig. 7.8). Para este efeito, aplica-se o seguinte enquadramento normativo: − NP EN 12504-1 [168]: indica o procedimento para extração e exame das carotes, a preparação das carotes após a sua extração, os cuidados a ter com elas na determinação da sua resistência à compressão e o conteúdo do respetivo relatório de ensaio; − NP EN 12390-3 [166]: apresenta o procedimento para ensaio das carotes à compressão e inclui figuras ilustrando os padrões de rotura válidos, não sendo considerados satisfatórios os ensaios com outras roturas; − NP EN 12390-4 [167]: especifica as características das máquinas de ensaio de carotes à compressão;

− NP EN 13791 [173]: cobre vários aspetos relativos aos métodos indiretos e ao método direto; relativamente a este último, refere como devem ser interpretados os resultados do ensaio em função da geometria das carotes, o número de carotes necessário, a determinação da resistência in situ característica da zona de ensaio (fck,is ), e a relação entre esta resistência e a classe de resistência do betão; esta norma inclui ainda um anexo informativo sobre o planeamento e a amostragem das carotes a extrair bem como sobre a avaliação dos resultados do ensaio.

Para determinar a tensão de rotura do betão à compressão, os métodos indiretos mais comuns são:

− ensaio de dureza de ressalto ou repercussão, especificado na NP EN 12504-2 [169]: com um esclerómetro Tipo N (esclerómetro de Schmidt), ver Fig. 7.9, um elemento

273

Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado

Figura 7.8: Ensaio à compressão de carote de betão (Cláudio Martins, LabFire, Universidade de Coimbra).

Figura 7.9: Medição da dureza de ressalto com esclerómetro Tipo N (esclerómetro de Schmidt).

metálico com massa normalizada é impelido por uma mola, com uma dada energia, contra um percutor em contacto com a superfície do elemento de betão; em virtude do comportamento elástico do betão esse elemento metálico sofre um ressalto cujo valor é registado pelo dispositivo; o índice esclerométrico, ou dureza de ressalto, do betão ensaiado é definido em função dessa distância do ressalto ou repercussão; é este índice esclerométrico que deve ser correlacionado com a resistência in situ do betão por um dos dois métodos estabelecidos na [173];

− ensaio de arrancamento (pullout), especificado na NP EN 12504-3 [170]: no betão endurecido, pode-se fazer, com uma furadora e um alargador, um furo através do qual se instala um varão cónico desenroscável e um disco que se expande mecanicamente, quase duplicando o diâmetro do furo, a uma profundidade de 25 mm; este varão é depois sujeito a tração contra um anel de apoio com diâmetro superior ao dobro do do

274

Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado

600

A500

σs (MPa)

400

A400

200 0

0

5

10

15 εs (%)

20

25

Figura 7.12: Ensaio de tração de varão e correspondentes curvas tensão-extensão (Cláudio Martins, LabFire – Universidade de Coimbra).

7.2.4

Ensaios de carga e medição de vibrações

Para aferir e melhorar, de forma indireta, a qualidade da informação já recolhida e determinada sobre a estrutura, transversalmente aos aspetos já abordados (geometria, quantidade e pormenorização da armadura e materiais), pode-se considerar:

− ensaios de carga (não destrutivos): aplica-se à estrutura uma carga estática suficientemente baixa para que ela permaneça em regime linear, mas suficientemente alta para se poder medir e registar a sua deformação e caracterizar o seu comportamento elástico; para tal, a estrutura é instrumentada para registo da evolução dos deslocamentos, e possivelmente de outras quantidades, num ou mais pontos e para valores sucessivos da carga, eventualmente em ciclos de carga e descarga; algumas caraterísticas globais da estrutura, como a rigidez, a proximidade do regime não linear e a possível existência de deformações inelásticas, determinam-se posteriormente por análise dos registos do ensaio.

− ensaios de caracterização dinâmica de estruturas [211], Fig. 7.13: podem-se realizar em regime livre, excitação forçada, ou sob vibração ambiental, durante um período de tempo apropriado; o registo do sinal aplicado e da resposta da estrutura, normalmente em vários pontos e segundo uma, duas ou três direções, é posteriormente digitalizado e analisado por técnicas no domínio da frequência (métodos de identificação dinâmica), para deteção das principais características dinâmicas da estrutura existente, como as frequências, modos de vibração e o amortecimento modal equivalente.

A comparação dos resultados dos ensaios de carga ou de caracterização dinâmica com os resultados determinados numericamente a partir de um modelo da estrutura, permitem: 278

8.3. Confinamento do betão e sua modelação

Figura 8.10: Objetivos do reforço do confinamento do betão: (a) aumentar capacidade de deformação do betão comprimido, (b) aumentar capacidade de transferência das tensões nas emendas por sobreposição e (c) contraventar varões da armadura longitudinal.

esquemática na Fig. 8.10, em que δa , δb e δc representam o condicionamento da capacidade de deformação lateral (a) pelo betão comprimido, (b) pela emenda da armadura longitudinal por sobreposição e (c) pela encurvadura dos varões longitudinais, enquanto que o valor superior δconf resulta do reforço transversal que também aumenta o confinamento do betão.

No entanto, se uma das tensões principais de confinamento for muito inferior à outra, em módulo, o efeito do confinamento é desprezável. Ou seja, só se pode considerar o confinamento no dimensionamento, se for possível assegurar que há um estado de compressão triaxial, em que o valor absoluto da menor tensão principal é significativo.

Para melhor se compreender de que forma o incremento do confinamento pode melhorar o comportamento do betão, recorde-se que, de uma forma geral, o comportamento do betão em compressão uniaxial, σ1 -ε1 , apresenta um coeficiente de Poisson constante de aproximadamente 0,2 para valores de σ1 até cerca de 0,95fc . A partir deste valor, o coeficiente de Poisson cresce rapidamente até atingir cerca de 0,4 para σ1 = fc , ver Fig. 8.11. Esta variação deve-se ao desenvolvimento de microfendas paralelas à direção da carga, entre a pasta de cimento e os agregados, que tendem a aglutinar-se, ou coalescer à medida que o valor da tensão se aproxima de fc , formando fendas. Tanto o efeito de Poisson como estas fendas causam uma expansão lateral, à qual o confinamento se opõe, originando uma tensão lateral no betão, p = |σ2 | = |σ3 |. Este efeito (Fig: 8.12): − aumenta a tensão de rotura do betão à compressão de fc para a tensão de rotura do betão confinado à compressão, fcc ;

− aumenta a extensão para a qual se atinge a tensão máxima, de εc0 ≈ 0,2 % para εcc ;

293

8.3. Confinamento do betão e sua modelação

Figura 8.17: Tensão radial de confinamento do betão, exercida por tubo cilíndrico de aço equivalente às cintas.

campo é radial junto ao eixo da cinta e “dispersa-se” no volume de betão por elas envolvido, segundo um percurso que se admite parabólico e que junto à cinta faz um ângulo de 45◦ com o plano desta. Consequentemente, pode admitir-se que parte do betão delimitado pelo tubo equivalente definido pelas cintas não está confinado, ver Fig. 8.18. Para contemplar este aspeto, foram definidos diversos modelos, de acordo com o tipo de cinta, com base nos quais se estabelece um coeficiente de redução αs (referindo-se o subscrito s ao espaçamento, spacing, dos elementos transversais), designado coeficiente de eficácia longitudinal do confinamento, que multiplicado pela área da secção transversal do núcleo de betão definido por uma cinta, determina a área da secção de betão efetivamente confinado. Nestes modelos a área da secção confinada é máxima na secção das cintas e vai-se reduzindo à medida que a distância a uma cinta aumenta, sendo portanto mínima a meia distância entre duas cintas, no caso de cintas isoladas, e a um quarto da distância entre cintas, no caso das cintas em espiral.94 O coeficiente αs define esta área mínima, sendo dado por (i) para cintas circulares (parágrafo 5.4.3.2.2(8), EC8-1)

sh 2 αs = 1 − 2Do

(ii) para cintas em espiral (parágrafo 5.4.3.2.2(8), EC8-1)

sh 2 sh sh 2 sh αs = 1 − =1−2 + ≈1− 4Do 4Do 4Do 2Do

(8.28) (8.29)

em que a simplificação se deve ao reduzido valor da razão sh /Do nas cintas em espiral.95

Porque as parábolas, definidas na próxima nota de rodapé, estão desfasadas.

Por exemplo Leonhardt e Mönnig [118] indicam para afastamento máximo das espiras 0,2Do – a que correspondem os valores 0,9025 e 0,9000 expressões exata e aproximada (8.29) – com o limite de 8 cm, enquanto que os valores para cintas normais são 0,8D, em que D é o diâmetro do pilar – a que correspondem os valores 0,36 e 0,20 da expressão exata (8.28) e da que se obteria linearizando-a – ou 12db , em que db é o diâmetro dos varões longitudinais (ou seja, o espaçamento máximo para cintas normais é cerca do quádruplo do da espiral).

De forma semelhante, o ACI 318-05 [1] indica na §7.10.4.3 um valor máximo de 7,62 cm para as espiras e na §7.10.5.2 um valor de 16db para cintas normais.

94 95

299

10.2. Reparação de elementos

Figura 10.1: Delaminação de revestimento.

− reparação e/ou substituição de varões corroídos, fraturados ou encurvados, §10.2.4.

Também pode ser necessária a reparação dos elementos danificados antes de se proceder ao seu reforço propriamente dito, por exemplo, por encamisamento com FRP (§10.3.4), metálico (§10.3.3) ou com betão armado (§10.3.2), ainda que, neste último caso, se possa usar o mesmo betão para o restauro do substrato e para o encamisamento, executando-se as duas operações de uma só vez.

Referem-se, em seguida, alguns aspetos a considerar na aplicação destes métodos de reparação, enquadrando-os no âmbito da família de normas NP EN 1504 [148–157], relativa a produtos e sistemas para reparação e/ou reforço de estruturas de betão armado.

10.2.1

Preparação do substrato

Para que a reparação ou o reforço dos elementos de betão seja eficaz – ou seja, para garantir um comportamento monolítico entre os materiais preexistentes e os novos –, é de extrema importância a preparação do substrato de modo a assegurar a aderência desses novos materiais, de reparação ou reforço ao elemento preexistente. A norma [156] define substrato como a superfície que vai receber o produto de reparação ou reforço; mas talvez não seja menos correto considerá-lo como a camada superficial do material preexistente que vai receber esse produto. A baixa aderência entre o substrato e o material de reparação pode tornar a reparação ineficaz – a Fig. 10.1 ilustra a delaminação e desprendimento da argamassa de revestimento devidos à sua aderência reduzida ao substrato de betão. Note-se que, para além de não solucionar o problema de reabilitação para que havia sido projetada, uma reparação mal sucedida pode originar problemas adicionais, se o material de reforço se soltar e causar estragos ou atingir pessoas. Por esse motivo, Assim, procede-se seguidamente à abordagem desta etapa prévia, de preparação do substrato, antes de considerar a reparação (§§10.2.2 a 10.2.4) e reforço (§10.3) propriamente ditos.

De acordo com a NP EN 1504-10 [157], para garantir uma boa aderência entre o betão existente e o material a adicionar pode ser necessária uma, ou várias, das seguintes medidas:

387

10.2. Reparação de elementos

10.2.1.1.4

Figura 10.3: Desbaste por percussão (Marina Neves).

Remoção do betão

São diversos os motivos pelos quais se pode revelar necessário remover o betão existente, sendo de destacar os seguintes:

(i) o betão apresenta-se enfraquecido, danificado ou deteriorado – a resistência à tração superficial do betão, fundamental para garantir uma boa aderência, pode ser determinada com o ensaio de resistência à tração direta (pull-off ) de acordo com a norma EN 1542 [62], devendo-se garantir uma resistência mínima à tração de 1 MPa [193];

(ii) o betão apresenta vazios ou está delaminado – estes casos podem ser facilmente detetados recorrendo a vários métodos, de onde se destacam [61]:

− percussão acústica com martelo ou arrasto de correntes metálicas (superfícies horizontais) – a existência de vazios é evidenciada pelo som da resposta do betão; − termografia por infravermelhos – a existência de vazios conduz à variação da condutividade térmica do substrato superficial de betão, criando gradientes térmicos (intensificados, por exemplo, pela exposição solar) que são detetados por medição da radiação infravermelha emitida;

− método do eco impacto – consiste em gerar ondas por impacto mecânico e identificar os vazios por análise das ondas refletidas pelos defeitos e interfaces entre materiais diferentes; − velocidade de propagação de ondas ultrassónicas – afetada pela existência de eventuais defeitos;

− baroscópio com ou sem câmara de vídeo – consiste em efetuar um furo de pequeno diâmetro na camada exterior do elemento, para aceder ao seu interior e o observar;

393

Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado

Figura 10.5: Corrosão de armadura em estado muito avançado.

Figura 10.6: Remoção de betão do tardoz de varões expostos: (a) armadura parcialmente exposta, (b) envolvimento da armadura pelo betão ou argamassa de reparação.

− hidrodemolição com pressão do jato de água de 140 MPa a 280 MPa [61], ver Figura 10.8 – é eficiente para remover betão até uma profundidade de 150 mm;

− escarificação;

− martelos de agulhas.

Utilizam-se normalmente os seguintes métodos para remover a totalidade do betão:

− percussão mecânica com martelo pneumático portátil ou montado em braço mecânico;

− hidrodemolição com pressão do jato de água de 140 MPa a 280 MPa [61];

− corte por jato abrasivo, disco diamantado (Fig. 10.9), fio de diamante, furação ou calor; − esmagamento com garra hidráulica (portátil ou montada num braço mecânico);

− fratura provocada por elementos expansivos colocados em furos, como cunhas (manuais ou hidráulicas), pressão hidráulica ou argamassa expansiva.

396

10.2. Reparação de elementos

Figura 10.7: Remoção de betão com martelo demolidor (HILTI).

Figura 10.8: Hidrodemolição (Miguel Ferreira).

Figura 10.9: Corte de betão com serra de disco diamantado (HILTI).

397

10.2. Reparação de elementos

Figura 10.10: Limpeza da armadura com martelo de agulhas (HILTI).

Finalmente, a menos que a limpeza da armadura seja efetuada imediatamente antes da aplicação do sistema de reparação, a sua superfície deve ser protegida de contaminação.

Ainda assim, pode-se desenvolver nesta fase uma camada fina de um óxido que não é prejudicial para a aderência [61].

10.2.2

10.2.2.1

Injeção de fendas Generalidades

A injeção de fendas (fissuras) enquadra-se no método M4.5 – Injeção de fendas, vazios e interstícios do Princípio 4, Reforço do betão, da série de normas NP EN 1504.

Tal como o nome indica, injetam-se as fendas para preencher (i) vazios no betão, criados por uma betonagem deficiente (por exemplo, por vibração insuficiente ou congestionamento da armadura) ou (ii) fendas superficiais (como as devidas ao assentamento diferencial de apoios (fundações), deterioração, ou a ações excessivas – por exemplo, um sismo de intensidade superior à correspondente ao DL). A injeção de fendas não reforça o elemento existente, limitando-se a repor as suas características mecânicas originais (rigidez e resistência à tração e compressão), repor a estanquidade e/ou a aumentar a resistência à penetração de cloretos e carbonatação.

A injeção é adequada quando as fendas estão desobstruídas e permitem a passagem do ligante. Por esse motivo, a injeção pode ser eficaz na reparação de fendas de flexão ou corte, mas é menos eficaz para as fendas longitudinais devidas ao fendimento do betão (splitting), que são descontínuas e estreitas. No entanto, não se deve usar a injeção em fendas devidas a corrosão.

10.2.2.2

Produtos de injeção

Os produtos de injeção de fendas são cobertos pela NP EN 1504-5 [152], que os classifica em termos (i) da função requerida, (ii) injetabilidade, (iii) do estado de humidade da fenda e (iv) do movimento da fenda.

399

10.2. Reparação de elementos

Figura 10.11: Tipos de injetores: (a) tubo de plástico, (b) injetor de superfície e (c) injetor mecânico.

Figura 10.12: Injeção de fendas com injetores mecânicos (Miguel Ferreira).

Tarefa 7 – proceder ao acabamento da zona de intervenção.

O afastamento a deixar entre os pontos de injeção depende da distância máxima que se prevê que o produto injetado consiga percorrer no interior da fenda antes de endurecer, o que depende do seu tempo de trabalhabilidade, valor declarado pelo produtor que o determina a partir do tempo de vida útil pelo método de ensaio definido na EN ISO 9514 [152], do estado de humidade e da largura da fenda. Assim, se a fenda atravessar toda a espessura do elemento, por exemplo numa parede, e se esta espessura for superior à distância que o fluido consegue percorrer antes de endurecer, a injeção terá de ser efetuada nas duas faces do elemento.

Note-se ainda que (i) a injeção deve ser efetuada quando a largura da fenda é máxima, ou seja, para baixas temperaturas (sem deixar de respeitar a temperatura mínima de aplicação do produto), e (ii) uma injeção prolongada a baixa pressão conduz a melhores taxas de preenchimento de fendas que uma injeção mais rápida a alta pressão.

403

10.3. Melhoria da capacidade dos elementos existentes

Figura 10.28: Encamisamento metálico de pilar com cantoneiras e cintas (esq.) e chapas em L (dir.)

(Hugo Filipe Pinheiro Rodrigues).

Figura 10.29: Encamisamento metálico de vigas ligadas a lajes.

Se, pelo contrário, se pretende que o encamisamento aumente a resistência à flexão do elemento, pode assegurar-se a continuidade do encamisamento soldando, na extremidade de cada elemento, quadros metálicos, formados por cantoneiras, às cantoneiras longitudinais.

Estes quadros em elementos adjacentes poderão ser ligados entre si nos nós viga-pilar por [11] cantoneiras laterais, Fig. 10.31(a), ou varões laterais, Fig. 10.31(b), nas vigas (continuidade entre segmentos de pilar), ou nos pilares (continuidade entre segmentos de viga), podendo os varões ser também chumbados nas fundações, Fig. 10.31(c).

431

Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado Tabela 10.7: Valores comuns de propriedades mecânicas em tração das fibras utilizadas nos FRP [90] e do aço macio. material

aço macio carbono (CFRP) resistência elevada resistência ultra elevada rigidez elevada rigidez ultra elevada vidro (GFRP) E S aramida (AFRP) rigidez baixa rigidez elevada

módulo de elasticidade (GPa)

resistência (GPa)

extensão última (%)

215–235 215–235 350–500 500–700

3,5–4,8 3,5–6,0 2,5–3,1 2,1–2,4

1,2–2,0 1,5–2,3 0,5–0,9 0,2–0,4

70–80 115–130

3,5–4,1 3,4–4,0

210

70 85–90

0,3–0,8

2,5–25,0

1,9–3,0 3,5–4,8

3,0–4,5 4,5–5,5

4,3–5,0 2,5–3,5

Figura 10.34: Tecidos de CFRP (esq.), GFRP (centro) e AFRP (dir.) (Clever Reinforcement Ibérica, S&P).

444

Figura 10.35: Laminados de CFRP (Clever Reinforcement Ibérica, S&P).

10.3. Melhoria da capacidade dos elementos existentes

Figura 10.39: Boleamento de arestas por desbaste (esq.) e reperfilamento (dir.) (Clever Reinforcement Ibérica, S&P).

Figura 10.40: Aplicação de resina no substrato (Clever Reinforcement Ibérica, S&P).

(iii) aplicar cada (camada de) tecido até atingir o número estabelecido no projeto:

− se o tecido é do tipo pré-saturação, impregná-lo com a resina epoxídica (Fig. 10.41); se é do tipo sem pré-saturação, aplicar uma resina epoxídica de colagem na superfície que a vai receber (para a primeira camada esta aplicação já foi referida no passo anterior) – em qualquer dos casos a quantidade de resina tem de ser bem doseada, ou seja, nem pode ser excessiva, porque escorreria, nem insuficiente, porque impediria uma adesão adequada;

− envolver o elemento com o tecido;

− pressionar o tecido de encontro ao substrato com um rolo de estrias (Fig. 10.42), em teflon, um material com reatividade e coeficiente de atrito muito baixos, para facilitar a impregnação e assegurar a aderência do tecido, eliminando as bolsas de ar e pregas – antes desta operação pode-se esticar o tecido com uma espátula rígida; 449

Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado

Figura 10.41: Aplicação de resina sobre tecido com pré-saturação (Clever Reinforcement Ibérica, S&P).

Figura 10.42: Comprimir o tecido sobre o substrato com rolo de estrias (Clever Reinforcement Ibérica, S&P).

(iv) num tecido sem pré-saturação, aplicar uma camada de uma resina epoxídica para impregnar a face exterior da última camada; (v) aplicar revestimento de proteção ao fogo e radiação ultravioleta (UV).

No projeto e aplicação de tecidos de FRP, deve-se ainda considerar os seguintes aspetos:

− não se deve sobrepor mais de 5 camadas, para se evitar a perda de eficácia: a tensão mobilizável num tecido de FRP usado para melhorar a ductilidade de um elemento de betão armado, diminui com o número de camadas;

450

Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado

ft

Figura 10.52: Modelo de rotura de emendas por sobreposição.

– valor médio da tensão de rotura à tração do varão emendado.

Por inversão da expressão anterior conclui-se que, se se admitir que a tensão de rotura à tração do aço da armadura vale ft = 1,4fyL , para que a emenda por sobreposição não rompa, o encamisamento com FRP deve proporcionar uma pressão de confinamento de, ver parágrafo A.4.4.4(1) da EC8-3, fl =

p 2n

As

+ 2 db,L + c

·

· lo

ft As · fyL =

p µ + 2 d + c · lo b,L 2n

(10.69)

Como se verificou experimentalmente [218] que os varões começam a escorregar entre si quando a extensão normal nos produtos de FRP na zona da emenda atinge εju = 0,001, limitou-se aquela extensão a este valor para evitar o referido escorregamento. Além disso, se pode considerar tanto o efeito benéfico do confinamento conferido pela armadura transversal na zona da sobreposição como a pressão entre o produto de FRP e o elemento de betão devido à injeção de argamassa, então, de acordo com a expr. (10.56), a espessura mínima do produto de FRP em elementos de secção transversal circular vale, §A.4.4.4 da EC8-3, em que σsw é:

tf,min =

D fl − σsw D fl − σsw · = · 2 εju · Ef 2 0,001Ef

(10.70)

σsw = 0,001Es · ρw

(10.71)

− ou a tensão de confinamento devida a uma extensão de 0,001 na armadura transversal,

470

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INSTITUTO DE ENGENHARIA DE SISTEMAS E COMPUTADORES DE COIMBRA – INESC COIMBRA O Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores de Coimbra (INESC Coimbra) é uma instituição privada sem fins lucrativos, declarada de utilidade pública, dedicada à investigação científica e desenvolvimento tecnológico, datando de 1986 o início das suas actividades como Pólo de Coimbra do INESC. A equipa de investigação do INESC Coimbra é fortemente interdisciplinar, estando as suas raízes histórias na investigação operacional e na engenharia eletrotécnica e de computadores.

O INESC Coimbra tem por objeto a realização de actividades de investigação científica, desenvolvimento tecnológico, transferência e integração de conhecimento, tendo por base disciplinas das Ciências de Engenharia e da Investigação Operacional, visando contribuir para a melhoria do desempenho global das organizações e para o progresso do conhecimento, numa abordagem de Engenharia de Sistemas (i.e., combinando criativamente teoria e metodologia, questões técnicas e fatores humanos).

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Avaliação e reabilitação sísmicas de edifícios de betão armado RICARDO COSTA PAULO PROVIDÊNCIA Sobre a obra Este livro surge após a publicação da legislação que regulariza a aplicação dos Eurocódigos Estruturais e torna obrigatória a avaliação e reforço sísmico de edifícios existentes sujeitos a intervenções de remodelação. Com efeito, o Decreto-Lei nº 95/2019 estabelece o regime aplicável às operações de reabilitação de edifícios ou de frações autónomas, e a Portaria 305/2019 define os termos em que essas obras ficam sujeitas à elaboração de relatório de avaliação de vulnerabilidade sísmica, bem como às situações em que é exigível a elaboração de projeto de reforço sísmico.

A aplicação da norma EN 1998: Projecto de Estruturas para Resistência aos Sismos, Parte 3 Avaliação e Reabilitação de Edifícios, vai requerer um esforço de atualização da comunidade técnica, para o que muito contribuirá este livro. Deseja-se que as intervenções de remodelação anárquicas que têm ocorrido, sem garantia da segurança sísmica, terminem, para o que é necessária uma intervenção ativa por parte dos técnicos, dos municípios e de outras entidades que têm como dever licenciar e fiscalizar as obras de intervenção em edifícios existentes. O livro desenvolve-se em três partes: análise de estruturas sujeitas à ação sísmica; avaliação e reabilitação sísmicas de estruturas e reabilitação de estruturas de betão armado. O livro inclui de forma clara e rigorosa os conceitos básicos e as metodologias de cálculo de engenharia sísmica, aplicáveis a edifícios com a estrutura de betão armado.

In Prefácio, por Júlio Appleton

Sobre os autores Ricardo Costa Docente da disciplina de Reabilitação Sísmica do Mestrado de Reabilitação de Edifícios da Universidade de Coimbra. Investigador do ISISE e membro do WG2-CT115 (Grupo de Trabalho em Avaliação e Reabilitação de Estruturas Existentes da Comissão Técnica Portuguesa de Normalização). Licenciatura, mestrado e doutoramento na Universidade de Coimbra. Autor do livro Desenho Técnico para Arquitetura, Engenharia e Construção (AEC).

Paulo Providência Docente da disciplina de Reabilitação de Estruturas de Betão Armado do Mestrado de Reabilitação de Edifícios da Universidade de Coimbra. Investigador do INESCC e membro do WG2-CT115 (Grupo de Trabalho em Avaliação e Reabilitação de Estruturas Existentes da Comissão Técnica Portuguesa de Normalização). Licenciatura na Universidade de Coimbra, mestrado no IST e doutoramento no Imperial College de Londres.

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